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  仿生人工肌肉材料是二十世紀90年代迅速發展起來的一類新型智能材料，正不斷地掀起全球科學家的研究熱潮，在航空航天、仿生機器人以及生物醫療等工程領域具有重要的應用價值。離子聚合物-金屬復合材料（Ionic polymer-metal composites, IPMC），也稱為電化學驅動器，是一種典型的仿生人工肌肉材料。它是由兩層電極與離子聚合物組裝而成的三明治結構，在電場作用下，依靠離子在電極界面的可逆脫嵌過程，實現電能與機械能的轉換。因其低電壓驅動、柔性大變形等特性，在軟體機器人、智能穿戴以及醫療器械等方面的應用前景廣闊。 

  目前學術界公認的IPMC材料驅動機制是電容致動機理，在驅動電壓刺激下，一定數量的離子在電極層中的預膨脹、嵌入、嵌出，引起電極材料的可逆膨脹與收縮效應，這種效應導致了驅動器的宏觀應變。換言之，電極材料儲能越大，驅動效應越強。基于此機制，各種高儲能的納米材料都被嘗試用作IPMC電極，驅動性能相比于傳統IPMC材料得到大幅提升，但是較實際應用仍然存在較大的差距，曾經一度成為人們難以理解的困惑。究其原因，儲能與驅動性能之間并不總是正相關的，它們之間存在一個能量轉換效率的問題。經過大量的調研與探索，我們發現，電極的能量轉換效率主要由材料的電學特性、孔道構型、分子結構以及力學特性等復雜因素決定。因此，想要在驅動性能和應用上取得突破，就必須發展新型納米結構活性材料，探索新的儲能-轉換機制。

  近期，中科院蘇州納米所陳韋研究員課題組與中科院北京化學所李玉良院士以及香港理工大學陶肖明教授等團隊合作，設計制備了一種基于石墨炔新材料的電化學驅動器，并從石墨炔材料微觀分子驅動機制的發現，到宏觀驅動器件的高能量轉換效率驅動特性，開展了全面系統的研究。提出并實驗驗證了一種新型分子驅動機制—石墨炔烯炔互變效應，該機制完全不同于傳統的電容驅動機制，它是基于可逆配位轉換效應引起的材料結構變化，如圖1所示。由于常規檢測手段（如：拉曼、紅外等）難以捕捉這一分子尺度的配位轉換效應，于是，我們創造性的利用高靈敏的原位和頻共振光譜技術，從實驗上驗證了這一分子驅動機制，如圖2所示。正是由于這種活性功能單元的作用，石墨炔IPMC柔性電極不僅表現出優異的電化學儲能特性，同時，也表現出電-機械能量轉換能力。石墨炔驅動器比電容高達237 F g-1，倍率特性良好，換能效率高達6.03%，遠高于同類電化學換能器件，能量密度高達11.5 KJ m-3, 與哺乳動物生物肌肉能量密度相當，將電化學驅動器的性能提升到了一個新的水平，如圖3所示。相關成果已發表在《自然—通訊》雜志上（Nature Communications, 2018, 9, 752）。 

圖1 基于石墨炔材料的烯炔互變分子驅動機制示意圖

圖2 利用原位和頻共振光譜技術驗證石墨炔材料烯炔互變分子驅動機制

圖3 石墨炔電化學驅動器性能表征

  感謝蘇州納米所國際實驗室藺洪振老師在和頻光譜方面的合作。該工作得到國家自然科學基金、江蘇省科技計劃項目(產業前瞻與共性關鍵技術)，中國科學院國際合作重點項目等的資助。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-03095-1